DE19930458C2 - Tonruf-Frequenzbestimmungsvorrichtung und -verfahren - Google Patents

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tonruf-Frequenz­ bestimmungsvorrichtung sowie ein entsprechendes Tonruf- Frequenzbestimmungsverfahren.

Obwohl auf beliebige Tonrufsignalisierungen anwendbar, wer­ den die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegen­ de Problematik in bezug auf eine Tonruf-Signalisierung für ein Haustelefon erläutert.

Um eine fehlerfreie Signalisierung des Tonrufs zu gewähr­ leisten, sind bestimmte Forderungen an eine Tonrufsignali­ sierung gestellt. Zum einen soll erst ab einer bestimmten Mindestaussteuerung (Pegelbedingung), zum andern nur auf Anregungen in einem festen Frequenzfenster (Frequenz­ bedingung), eine Signalisierung erfolgen.

Das Einhalten der Pegelbedingung wird in der Regel von der Hardware gewährleistet, die Einhaltung der Frequenzbedin­ gung hingegen ist Aufgabe der Software. Ein Nichteinhalten einer oder beider Bedingungen führt zu einer falschen Ruf­ signalisierung (z. B. keine oder verspätete Signalisierung bei gültigem Rufsignal, Rufsignalisierung ohne Rufspannung, usw.).

Überlagerte Störungen der Rufwechselspannung haben einen großen Einfluß auf ein korrektes Arbeiten der Tonruf- Frequenzerkennung. Ein Erkennen von gestörten Frequenzen ist jedoch kein triviales Problem.

Fig. 3 zeigt eine Illustration zur Ableitung eines ZC- Signals (ZC = Zero Crossing) aus der erfaßten Tonrufspan­ nung.

In Fig. 3 ist die Zeit t auf der x-Achse aufgetragen und die Tonrufspannung U_T bzw. das ZC-Signal ZC auf der y- Achse. Die Tonrufspannung U_T wird in diesem Fall als reine Sinus-Wechselspannung (durchgezogene Linie in Fig. 3 oben) angenommen.

Um eine Tonruf-Frequenzerkennung zu ermöglichen, wird die gleichgerichtete Tonrufspannung U_T (gestrichelte Linie in Fig. 3 oben) an einen nicht dargestellten Komparator ange­ legt. Der Ausgang des Komparators ist mit einem Prozessor verbunden, der das ZC-Signal verarbeitet.

Wie gezeigt, führt der Komparator einen Vergleich der gleichgerichteten Tonrufspannung U_T mit einer Schwelle S durch. Jedesmal wenn die gleichgerichtete Tonrufspannung U_T diese Schwelle ansteigend durchläuft, hat das ZC-Signal ei­ ne abfallende Flanke. Bei jedem darauffolgenden Nulldurchgang hat das ZC-Signal eine ansteigende Flanke. Hier ist also eine gewisse Hysterese eingebaut.

Die Frequenz f des Tonrufsignals ergibt sich in diesem ein­ fachen Fall als t* = 1/2f, wobei t* der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden ansteigenden bzw. abfal­ lenden Flanken des ZC-Signals ist.

Fig. 4 zeigt eine Illustration eines ZC-Signals ohne Stö­ rung mit unterschiedlicher Amplitude des Tonrufsignals.

Wie Fig. 4 entnehmbar, ist je nach Lage der Komparator­ schwelle S bzw. Signalaussteuerung des Tonrufsignals das Tastverhältnis des ZC-Signals höchst unterschiedlich.

Da jedoch, um die Periodendauer bzw. Frequenz f zu messen, üblicherweise immer auf die steigende oder fallende Flanke des ZC-Signals getriggert wird, ist eine Bestimmung der Frequenz f unabhängig vom Tastverhältnis des ZC-Signals möglich.

In realen Systemen muß damit gerechnet werden, daß das Ton­ rufsignal keine reine Sinusschwingung ist, sondern periodi­ sche und/oder aperiodische Überlagerungen aufweist. Diese Überlagerungen machen sich insbesondere dann bemerkbar, wenn die Amplitude der Störung größer als die Hysterese der ZC-Erkennungsschaltung ist.

Ein Maß für die Unempfindlichkeit gegen solche Störungen ist die Fremdsignal-Störfestigkeit. Ein Überlagern von Stö­ rungen über das ZC-Signal führt zu Signalverläufen, die in Fig. 5 für ein gestörtes ZC-Signal mit unterschiedlichem Tastverhältnis gezeigt sind.

Eine möglichst schnelle Auswertung solcher gestörter ZC- Signale ist nicht trivial. Um die Grundschwingung zu ermit­ teln, müssen die Störungen ignoriert werden. Bei einem un­ günstigen Tastverhältnis sind aber Störimpulse und Nutzsi­ gnal nicht mehr zu unterscheiden.

Bekannt sind Systeme, die Impulse oder Impulsgruppen aus­ blenden. Diese haben einerseits den Nachteil, daß zusätzli­ che Ressourcen (z. B. zweite Zeitbasis zum Ausblenden der Störungen) benötigt werden. Andererseits nehmen solche Sy­ steme eigentlich eine Art Unterabtastung des ZC-Signals durch Ausblendung bestimmter Zeitbereiche vor. Ist dabei das ausgeblendete Zeitintervall, im Vergleich zu den zu messenden Zeiten, nicht mehr vernachlässigbar, treten Meß­ fehler auf.

Dies ist in Fig. 6 illustriert, welche Fehler beim Entstö­ ren des ZC-Signals aufzeigt, die durch einfaches Ausblenden der Störungen entstehen. Der ausgeblendete Zeitbereich ist dabei grau schraffiert. T_M bezeichnet das Meßintervall.

Im Fall a) von Fig. 6 liegt ein ZC-Signal ohne Störungen vor, die Tonruffrequenz f wird richtig bestimmt.

Im Fall b) von Fig. 6 liegt ein ZC-Signal mit Störungen vor, die Tonruffrequenz f wird richtig bestimmt.

Im Fall c) von Fig. 6 liegt ein ZC-Signal ohne Störungen vor, die Tonruffrequenz f wird nicht richtig bestimmt, da hier Teile des Nutzsignals fälschlicherweise ausgeblendet werden. Mit anderen Worten wird ein ungestörtes ungültiges Signal fälschlicherweise als gültig bestimmt.

Als nachteilhaft bei den obigen bekannten Ansätzen hat sich also die Tatsache herausgestellt, dass eine zuverlässige Entstörung nicht in allen Fällen möglich ist.

Aus der US 4 061 885 ist eine digitale Tonerkennungs-Einrichtung bekannt, die aus einem Begrenzer, einem Null-Durchgangszähler 12 und einem Dekoder 14 besteht. Um Störungen im Eingangssignal auszublenden, wird dort vorgeschlagen, einen Störunterdrückungsschaltkreis zwischen den Begrenzer und den Null-Durchgangszähler zu schalten.

Aus der DE 198 25 263 A1 ist eine Periodenmeßschaltung bekannt, die mit einer zentralen Verarbeitungseinheit verbunden ist. Die Periodenmeßschaltung weist Folgendes auf: Einen Zeitgeber zum Empfangen eines Zeitgeberzähl-Taktsignals und zum Ausführen einer Zähloperation; eine Erfassungsschaltung, die mit einem Eingangsanschluß verbunden ist, zum Empfangen eines Eingangssignals, um wenigstens eine einer Anstiegsflanke und einer Abfallflanke des Eingangssignals zu erfassen und ein Erfassungssignal abzugeben; einen Fangwiderstand, der mit der Erfassungsschaltung und auch mit dem Zeitgeber verbunden ist, zum Empfangen eines aktuellen Zählwerts, der nun durch den Zeitgeber gezählt worden ist, gemäß einem Empfang des Erfassungssignals als Fang-Trägersignal von der Erfassungsschaltung; und eine Steuerschaltung, die zwischen der Erfassungsschaltung und dem Fangwiderstand angeschlossen ist, wobei die Steuerschaltung einen vorbestimmten kritischen Frequenzwert hat, so dass die Steuerschaltung zum Empfangen des Erfassungssignals von der Erfassungsschaltung für einen Vergleich einer Frequenz des Erfassungssignals mit dem vorbestimmten kritischen Frequenzwert betrieben wird, und die Steuerschaltung dann, wenn die Frequenz des Erfassungssignals über den vorbestimmten kritischen Frequenzwert hinausgeht, zum Trennen des Fangwiderstandes von der Erfassungsschaltung betrieben wird, wodurch eine Periodenmeßoperation nicht fortgesetzt wird und die Steuerschaltung dann, wenn die Frequenz des Erfassungssignals nicht über den vorbestimmten kritischen Frequenzwert hinausgeht, zum Verbinden des Fangwiderstandes mit der Erfassungsschaltung betrieben wird, wodurch der Fangwiderstand das Erfassungssignal als das Fang-Trägersignal empfängt und gleichzeitig ein Zählwert-Löschsignal zum Zeitgeber sendet, so dass der Zeitgeber einen aktuellen Zählwert auf einen Anfangswert löscht und darauffolgend seine Zähloperation erneut beginnt.

Aus der Druckschrift "Elektrische Meßtechnik: Messung elektrischer und nicht elektrischer Größen" E. Schrüfer, Hanser- Verlag, 1983 ist es bekannt, dass für die Periodendauermessung zunächst ein analoges Signal in ein binäres Rechtecksignal umgeformt werden kann. Dies geschieht mit einem Komparator. Die im Komparator durchgeführte Umsetzung des analogen Signals in eine Folge von Rechteckimpulsen, deren steigende oder fallende Flanken gezählt werden, wird als Triggerung bezeichnet. Die Einstellung der Komparatorschwelle kann bei modulierten, gestörten oder in Oberwellen enthaltenen Signalen zu Fehlern führen. Um Fehlmessungen zu vermeiden, wird empfohlen, das Signal und den Trigger-Einsatzpunkt auf einem Oszilloskop zu überprüfen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Tonruf-Frequenzbestimmungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die entsprechende Tonruf- Frequenzbestimmungsvorrichtung gemäß Anspruch 5 weisen gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, dass trotz hochfrequenter Störungen auf dem ZC-Signal eine zuverlässige Entstörung möglich ist im Gegensatz zu bekannten Ausblendverfahren.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, dass jedes Zeitintervall zwischen einer abfallenden und ansteigenden Flanke des ZC-Signals ausgewertet wird und anhand eines Grenzwertes ein Bewertungsstart- sowie Bewertungsstopp- Zeitpunkt bestimmt, wobei das so ermittelte Bewertungsintervall ein Maß für die gesuchte Frequenz ist.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil­ dungen und Verbesserungen des betreffenden erfindungsgemä­ ßen Gegenstandes.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird ein Überwa­ chungszeitfensters für die Frequenzbestimmung festgelegt und geschieht ein Abbrechen der Messung, falls die seit der Bewertungsstartzeit gemessene Zeit außerhalb des Überwa­ chungszeitfensters liegt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Zeitdauer-Grenzwert als Konstante festgelegt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird für den Zeitdauer-Grenzwert ein größtmöglicher Wert festgelegt, mit dem der Versuch der Festlegung der Bewertungsstartzeit be­ gonnen wird. Dieser Wert wird nach einem vorbestimmten Al­ gorithmus verkleinert, wenn nach einer bestimmten Zeit kei­ ne Bewertungsstartzeit festlegbar ist.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Illustration einer Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Verfahrens in Anwendung auf ein gestörtes ZC-Signal mit unterschiedlichem Tastverhältnis;

Fig. 2 ein Zustandsdiagramm der Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Verfahrens nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Illustration zur Ableitung eines ZC-Signals (ZC = Zero Crossing) aus der erfaßten Tonrufspan­ nung;

Fig. 4 eine Illustration eines ZC-Signals ohne Störung mit unterschiedlicher Amplitude des Tonrufsi­ gnals;

Fig. 5 eine Illustration eines gestörten ZC-Signals mit unterschiedlichem Tastverhältnis; und

Fig. 6 eine Illustration zum Problem, welche Fehler beim Entstören des ZC-Signals durch einfaches Ausblen­ den der Störungen entstehen.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.

Fig. 1 zeigt eine Illustration einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Anwendung auf ein gestörtes ZC-Signal mit unterschiedlichem Tastverhältnis.

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Bestimmung der Grundwelle nicht einzelne Zeitbe­ reiche ignoriert, sondern alle Teilereignisse berücksich­ tigt. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Störungen, wel­ che dem ZC-Signal überlagert sind, hochfrequenter als die zu bestimmende Frequenz f sind.

Mit anderen Worten findet ein ständiges Messen der jeweili­ gen Zeitdauer zwischen den benachbarten steigenden und fal­ lenden Flanken des ZC-Signals statt. Aus diesen Teilereig­ nissen wird dann die Frequenz der Grundschwingung abgelei­ tet. Die Ausführungsform setzt voraus, daß die Richtung der Flanke (fallend bzw. steigend) des ZC-Signals zum Erzeugen eines Interrupts, sukzessive umgestellt werden kann.

Die Zeitdauern der einzelnen Teilmessungen m_i, m_j werden mit einem vorgegebenen bei diesem Beispiel konstanten Grenzwert t_g verglichen. Ist die Zeitdauer einer Teilmes­ sung größer als der Grenzwert t_g, liegt die Startbedingung vor, d. h. es wird eine Bewertungsstartzeit t₁ festgelegt, wenn eine gemessene Zeitdauer größer oder gleich dem Zeit­ dauer-Grenzwert t_g ist, wobei die Bewertungsstartzeit (t₁) der Zeitpunkt der folgenden Flanke ist. Gleichzeitig wird die Phasenlage des ZC-Eingangssignals bestimmt werden ("0" = l(ow) oder "1" = h(igh)). In Fig. 1a) und 1b) ist diese Phasenlage "0", und in Fig. 1c) ist sie "1".

Die Stoppbedingung ist der übernächste lange ZC-Signal­ zyklus mit der gleichen Phasenlage. Es wird also eine Be­ wertungsstoppzeit t₂ festgelegt, wenn eine gemessene Zeit­ dauer mit gleichem ZC-Signalwert zum übernächsten Mal grö­ ßer oder gleich dem Zeitdauer-Grenzwert t_g ist, wobei die Bewertungsstoppzeit t₂ der Zeitpunkt der folgenden Flanke ist.

Der Timer bzw. Zeitgeber, von dem alle Zeiten abgeleitet werden, läuft nach der Startbedingung frei. Die Zeit, die der Timer für einen Durchlauf benötigt, muß dabei größer sein als das Uberwachungsfenster für das ZC-Signal, welches sich durch eine untere Zeitgrenze T_u und eine obere Zeit­ grenze T_o definieren läßt.

Werden in diesem Uberwachungsfenster keine weiteren Inter­ rupts detektiert, wird der Meßvorgang abgebrochen und die Meßfunktion wieder in den Grundzustand versetzt (d. h. die Frequenz ist sehr klein).

Das Bestimmen der gesuchten Frequenz f geschieht anhand der gemessenen Zeitdifferenz zwischen der Bewertungsstartzeit t₁ und der Bewertungsstoppzeit t₂, wobei gilt 1/f = t₂ - t₁.

Zur Bestimmung von t_g zweckmäßige Parameter sind beispiels­ weise:

Komparatorschwelle ein (Von)	17.5 V
Komparatorschwelle aus (Voff)	6.5 V
minimale Frequenz (fmin)	20 Hz
maximale Frequenz (fmax)	60 Hz
Störspannung (UST)	6 VS
Rufspannung (UR)	32 Veff

Fig. 2 zeigt ein Zustandsdiagramm der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Fig. 1.

In Fig. 2 bezeichnet I eine Initialisierungsroutine, um in das System in einen Grundzustand G zu versetzen. Ausgehend davon wird das Zeitintervall zwischen den benachbarten steigenden und fallenden Flanken des ZC-Signals gemessen, bis ein Intervall mit t größer gleich t_g gefunden ist.

Dann wird der Timer zur einer Bewertungsstartzeit t₁ ge­ startet (START), welche der Zeitpunkt der folgenden Flanke ist.

Zur Bewertungsstoppzeit t₂, wenn eine gemessene Zeitdauer mit gleichem ZC-Signalwert zum übernächsten Mal größer oder gleich dem Zeitdauer-Grenzwert t_g ist, wobei die Bewer­ tungsstoppzeit t₂ der Zeitpunkt der folgenden Flanke ist, wird der Timer wieder gestoppt.

Die verschiedenen Zeitpunkte zu denen eine gemessene Zeit­ dauer größer oder gleich dem Zeitdauer-Grenzwert t_g ist, sind dabei mit I, II und III bezeichnet. Die linke Schleife ist für den Fall einer L-Anfangsphase, die rechte für den Fall einer H-Anfangsphase. Die jeweilige Schleife mit der Bezeichnung 1) bedeutet, daß entweder die Zeit- oder die Phasenbedingung nicht erfüllt ist.

Ist das gemessene Zeitintervall T innerhalb des erlaubten Zeitfensters [T_u, T_o], ist die daraus ermittelte Frequenz f gültig, und das System kehrt in den Grundzustand G zurück. Anderenfalls geht das System zurück zum Zustand I.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise mo­ difizierbar.

Der Parameter t_g kann bei kleinen Messbereichen wie beim obigen Beispiel als Konstante festgelegt werden. Die Zeit­ intervalle des ungestörten Signalanteils bei höchster gül­ tiger Frequenz f_max müssen größer sein als t_g. Bei größeren Messbereichen und konstantem ZC-Eingangssignal (d. h. die Frequenz ändert sich nicht während der Messung) kann die Messung mit größtmöglichem t_g begonnen werden. Wird keine Startbedingung gefunden, wird der Parameter t_g solange ver­ kleinert, bis eine Startbedingung gefunden wird.

Claims (8)

1. Tonruf-Frequenzbestimmungsverfahren mit den Schritten:
Bilden eines rechteckförmigen ZC-Signals (Nulldurchgangssignals) aus einem Tonrufsignal durch Vergleich des Tonrufsignals mit einer Schwelle (S), wobei das ZC-Signal eine Folge von abwechselnd steigenden und fallenden Flanken zwischen zwei ZC- Signalwerten aufweist;
Messen der jeweiligen Zeitdauern zwischen steigender und fallender Flanke und zwischen fallender und steigender Flanke des ZC-Signals;
Vergleichen der gemessenen Zeitdauern mit einem vorbestimmten Zeitdauer-Grenzwert (t_g);
Festlegen einer Bewertungsstartzeit (t₁), wenn eine gemessene Zeitdauer größer oder gleich dem Zeitdauer-Grenzwert (t_g) ist, wobei die Bewertungsstartzeit (t₁) der Zeitpunkt der folgenden Flanke ist;
Festlegen einer Bewertungsstoppzeit (t₂), wenn eine gemessene Zeitdauer mit gleichem ZC-Signalwert zum übernächsten Mal größer oder gleich dem Zeitdauer-Grenzwert (t_g) ist, wobei die Bewertungsstoppzeit (t₂) der Zeitpunkt der folgenden Flanke ist; und
Bestimmen der Frequenz (f) anhand der gemessenen Zeitdifferenz zwischen der Bewertungsstartzeit (t₁) und der Bewertungsstoppzeit (t₂).

2. Tonruf-Frequenzbestimmungsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte:
Festlegen eines Überwachungszeitfensters (T_u, T_o) für die Frequenzbestimmung; und
Abbrechen der Messung, falls die seit der Bewertungsstartzeit (t₁) gemessene Zeit außerhalb des Überwachungszeitfensters liegt.

3. Tonruf-Frequenzbestimmungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitdauer-Grenzwert (t_g) als Konstante festgelegt wird.

4. Tonruf-Frequenzbestimmungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Zeitdauer- Grenzwert (t_g) ein größtmöglicher Wert festgelegt wird, mit dem der Versuch der Festlegung der Bewertungsstartzeit (t₁) begonnen wird; und dieser Wert nach einem vorbestimmten Algorithmus verkleinert wird, wenn nach einer bestimmten Zeit keine Bewertungsstartzeit (t₁) festlegbar ist.

5. Tonruf-Frequenzbestimmungsvorrichtung mit:
einer ZC-Signalerzeugungseinrichtung zum Bilden eines rechteckförmigen ZC-Signals (Nulldurchgangssignals) aus einem Tonrufsignal durch Vergleich des Tonrufsignals mit einer Schwelle (S), wobei das ZC-Signal eine Folge von abwechselnd steigenden und fallenden Flanken zwischen zwei ZC-Signalwerten aufweist;
einer Meßeinrichtung zum Messen der jeweiligen Zeitdauern zwischen steigender und fallender Flanke und zwischen fallender und steigender Flanke des ZC-Signals;
einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der gemessenen Zeitdauern mit einem vorbestimmten Zeitdauer-Grenzwert (t_g);
einer Festlegungseinrichtung zum Festlegen:

• a) einer Bewertungsstartzeit (t₁), wenn eine gemessene Zeitdauer größer oder gleich dem Zeitdauer-Grenzwert (t_g) ist, wobei die Bewertungsstartzeit (t₁) der Zeitpunkt der folgenden Flanke ist; und
• b) Festlegen einer Bewertungsstoppzeit (t₂), wenn eine gemessene Zeitdauer mit gleichem ZC-Signalwert zum übernächsten Mal größer oder gleich dem Zeitdauer-Grenzwert (t_g) ist, wobei die Bewertungsstoppzeit (t₂) der Zeitpunkt der folgenden Flanke ist;

und einer Frequenzbestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Frequenz (f) anhand der gemessenen Zeitdifferenz zwischen der Bewertungsstartzeit (t₁) und der Bewertungsstoppzeit (t₂).

6. Tonruf-Frequenzbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegungseinrichtung zum Festlegen eines Überwachungszeitfensters (T_u, T_o) für die Frequenzbestimmung und zum Abbrechen der Messung, falls die seit der Bewertungsstartzeit (t₁) gemessene Zeit außerhalb des Überwachungszeitfensters liegt, gestaltet ist.

7. Tonruf-Frequenzbestimmungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegungseinrichtung den Zeitdauer-Grenzwert (t_g) als Konstante festlegt.

8. Tonruf-Frequenzbestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegungseinrichtung für den Zeitdauer-Grenzwert (t_g) einen größtmöglichen Wert festlegt, mit dem der Versuch der Festlegung der Bewertungsstartzeit (t₁) beginnt; und dieser Wert nach einem vorbestimmten Algorithmus verkleinerbar ist, wenn nach einer bestimmten Zeit keine Bewertungsstartzeit (t₁) festlegbar ist.